应用于光流体显微镜的TDI CMOS图像传感器关键技术研究
发布时间：2022-02-13 17:08
随着智慧医疗、远程医疗的发展,便携式医疗器械成为研究热点,基于微流控和图像传感器技术的光流体显微镜（Optofluidic Microscope）,因其易于系统集成、便于携带和可实时检测等优点,在生物细胞检测领域受到广泛关注,CMOS图像传感器作为光流体显微镜中的成像模块决定了成像质量。因此,面向光流体显微镜应用,对高速、高精度CMOS图像传感器中的关键技术进行研究具有重要意义。本文将时间延迟积分（Time Delay Integration,TDI）CMOS图像传感器应用于光流体显微镜,进行超分辨率成像方法、列并行模数转换器（Analog-to-Digital,ADC）等关键技术研究,主要包括如下内容:1.为了实现光流体显微镜的超分辨率成像,提出一种利用TDI CMOS图像传感器进行过采样实现超分辨率成像的方法。研究TDI级数和过采样频率对原始图像与超分辨率成像结果相互映射关系的影响,通过Matlab仿真表明,TDI CMOS图像传感器的过采样频率变为M倍,灰度平均梯度大约下降至0.67M/2倍,运动方向上图像分辨率明显提高,输出图像信噪比提高了M1/...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同成像方式的对比：（a）256×256原图；（b）加入高斯噪声的原图；（c）1×128线阵采集结果图；（d）4×128像素4级TDI采集结果图；（e）4×128像素4级TDI下2倍过采样频率亚像素采集结果图；（f）还原后的结果图
（e） （f） （g） （h）图 3-8 不同 TDI 级数的成像结果：（a）原图；（b）2 级；（c）4 级；（d）8 级；（e）16 级；（f）32级；（g）64 级；（h）128 级Fig. 3-8 Imaging with different TDI stages: (a) Original image; (b) 2-stage; (c) 4-stage; (d) 8-stage; (e) 16-stage; (f) 32-stage; (g) 64-stage; (h) 128-stage然后，仿真了 2 级 TDI 以不同过采样频率进行成像的结果，图 3-9 给出了待处理原图和传统成像方式采集得到的图像信息，其中图 3-9（a）为分辨率为 512×512 的原始细胞图像；图（b）为加入噪声的原始细胞图像，信噪比为 11.63dB；图（c）为仿真得到的采用 1×64 线阵图像传感器采集到的图像信息，相比原图分辨率降低，亮度不变；图（d）中给出传统 2 级 TDI 采集到的图像，亮度明显改变，信噪比为 14.54dB，与线阵结构相比提高了约 3dB，与理论相符。然后用 2 级 TDI 分别以 2、4 和 8 倍过采样频率对图 3-9（b）进行成像，并使用相应还原矩阵进行图像还原，结果如图 3-10 所示，其中图（a）为 2 级 TDI 在 2 倍过采样频率下的成像结果；图（b）为图（a）还原后的图像；图（c）为 2 级 TDI 在 4 倍过采样频率下的成像结果；图（d）为图（c）还原后的图像；图（e）为 2 级 TDI 在 4 倍过采样频率下的成像结果；图（f）为图（e）还原后的图像。三种情况下的退化矩阵分别为（1/2 11/2）、
（c） （d）图 3-9 原始图像和传统方式采集得到的图像：（a）分辨率为 512×512 的原图；（b）加入噪声的原图；（c）1×64 线阵采集图像；（d）传统 2 级 TDI 采集图像Fig. 3-9 Different imaging: (a) The 512×512 original image; (b) Original image with noise; (c) Imaging with64×64 array image sensor; (d) Imaging with traditional 2-stage image sensor通过仿真表明，还原后的图 3-10（b）、（d）和（f）的信噪分别为 17.32dB、20.51dB和 23.04dB，比相对于传统 2 级 TDI 结构分别提高了约 21/2、2 和 81/2倍。然后仿真对比他们的灰度平均梯度，图 3-9（d）中 2 级 TDI 成像结果的灰度平均梯度值为 2.283×10-3，而图 3-10（b）、（d）和（f）的灰度平均梯度值分别为 1.415×10-3、9.052×10-4和 6.157×10-4，可以看出随着采样变为 2 倍，灰度平均梯度大约降为以前的 2/3，说明提出的利用 TDCMOS 图像传感器过采样的超分辨率方式可以提高图像的清晰度和信噪比。TDI 的级数 N与图像的亮度和信噪比有关，亮度正比与 N，信噪比正比与 N1/2，N 过高图像会发生过度曝光，N 不足则图像过暗。过采样的频率倍数 M 与图像列方向上的分辨率和图像信噪比有关，M倍的过采样频率意味着灰度平均梯度约下降至0.67M/2倍，图像信噪比正比于M1/2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无透镜显微成像技术在即时检测中的应用进展[J]. 李聪慧,曹若凡,许夏瑜,李菲,张镇西,徐峰. 中国激光. 2018(02)
[2]无透镜微流控成像流动细胞检测与计数系统[J]. 黄汐威,程涛,丁诚翔,王翔,高海军,苏江涛. 传感器与微系统. 2017(05)
[3]应用于无透镜细胞成像系统的非线性CMOS图像传感器[J]. 吕楠,余宁梅,张鹤玖. 西安理工大学学报. 2016(03)
[4]High-stage analog accumulator for TDI CMOS image sensors[J]. 李建新,黄福军,宗勇,高静. Journal of Semiconductors. 2016(02)
[5]基于微流控芯片的CD4+T淋巴细胞计数检测[J]. 雷相阳,邱宪波,葛胜祥,夏宁邵,陈兴,崔大付. 化学进展. 2015(07)
[6]基于微流控技术的单细胞生物物理特性表征[J]. 唐文来,项楠,黄笛,张鑫杰,顾兴中,倪中华. 化学进展. 2014(06)
[7]一种用于CMOS图像传感器的10位高速列级ADC[J]. 姚素英,徐文静,高静,聂凯明,徐江涛. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(03)
[8]CMOS图像传感器中分段电容DAC非理想因素研究（英文）[J]. 孙权,姚素英,徐文静,聂凯明,徐江涛. 传感技术学报. 2014(01)
[9]基于CMOS图像传感器应用的斜坡发生器[J]. 张生才,龚川,姚素英,徐江涛. 哈尔滨工业大学学报. 2008(07)
博士论文
[1]光流体显微镜中CMOS图像传感器关键技术研究[D]. 吕楠.西安理工大学 2016
硕士论文
[1]MSAD方法正则化参数的选择及其有效性探究[D]. 朱程.南方医科大学 2014
本文编号：3623582
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同成像方式的对比：（a）256×256原图；（b）加入高斯噪声的原图；（c）1×128线阵采集结果图；（d）4×128像素4级TDI采集结果图；（e）4×128像素4级TDI下2倍过采样频率亚像素采集结果图；（f）还原后的结果图
（e） （f） （g） （h）图 3-8 不同 TDI 级数的成像结果：（a）原图；（b）2 级；（c）4 级；（d）8 级；（e）16 级；（f）32级；（g）64 级；（h）128 级Fig. 3-8 Imaging with different TDI stages: (a) Original image; (b) 2-stage; (c) 4-stage; (d) 8-stage; (e) 16-stage; (f) 32-stage; (g) 64-stage; (h) 128-stage然后，仿真了 2 级 TDI 以不同过采样频率进行成像的结果，图 3-9 给出了待处理原图和传统成像方式采集得到的图像信息，其中图 3-9（a）为分辨率为 512×512 的原始细胞图像；图（b）为加入噪声的原始细胞图像，信噪比为 11.63dB；图（c）为仿真得到的采用 1×64 线阵图像传感器采集到的图像信息，相比原图分辨率降低，亮度不变；图（d）中给出传统 2 级 TDI 采集到的图像，亮度明显改变，信噪比为 14.54dB，与线阵结构相比提高了约 3dB，与理论相符。然后用 2 级 TDI 分别以 2、4 和 8 倍过采样频率对图 3-9（b）进行成像，并使用相应还原矩阵进行图像还原，结果如图 3-10 所示，其中图（a）为 2 级 TDI 在 2 倍过采样频率下的成像结果；图（b）为图（a）还原后的图像；图（c）为 2 级 TDI 在 4 倍过采样频率下的成像结果；图（d）为图（c）还原后的图像；图（e）为 2 级 TDI 在 4 倍过采样频率下的成像结果；图（f）为图（e）还原后的图像。三种情况下的退化矩阵分别为（1/2 11/2）、
（c） （d）图 3-9 原始图像和传统方式采集得到的图像：（a）分辨率为 512×512 的原图；（b）加入噪声的原图；（c）1×64 线阵采集图像；（d）传统 2 级 TDI 采集图像Fig. 3-9 Different imaging: (a) The 512×512 original image; (b) Original image with noise; (c) Imaging with64×64 array image sensor; (d) Imaging with traditional 2-stage image sensor通过仿真表明，还原后的图 3-10（b）、（d）和（f）的信噪分别为 17.32dB、20.51dB和 23.04dB，比相对于传统 2 级 TDI 结构分别提高了约 21/2、2 和 81/2倍。然后仿真对比他们的灰度平均梯度，图 3-9（d）中 2 级 TDI 成像结果的灰度平均梯度值为 2.283×10-3，而图 3-10（b）、（d）和（f）的灰度平均梯度值分别为 1.415×10-3、9.052×10-4和 6.157×10-4，可以看出随着采样变为 2 倍，灰度平均梯度大约降为以前的 2/3，说明提出的利用 TDCMOS 图像传感器过采样的超分辨率方式可以提高图像的清晰度和信噪比。TDI 的级数 N与图像的亮度和信噪比有关，亮度正比与 N，信噪比正比与 N1/2，N 过高图像会发生过度曝光，N 不足则图像过暗。过采样的频率倍数 M 与图像列方向上的分辨率和图像信噪比有关，M倍的过采样频率意味着灰度平均梯度约下降至0.67M/2倍，图像信噪比正比于M1/2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无透镜显微成像技术在即时检测中的应用进展[J]. 李聪慧,曹若凡,许夏瑜,李菲,张镇西,徐峰. 中国激光. 2018(02)
[2]无透镜微流控成像流动细胞检测与计数系统[J]. 黄汐威,程涛,丁诚翔,王翔,高海军,苏江涛. 传感器与微系统. 2017(05)
[3]应用于无透镜细胞成像系统的非线性CMOS图像传感器[J]. 吕楠,余宁梅,张鹤玖. 西安理工大学学报. 2016(03)
[4]High-stage analog accumulator for TDI CMOS image sensors[J]. 李建新,黄福军,宗勇,高静. Journal of Semiconductors. 2016(02)
[5]基于微流控芯片的CD4+T淋巴细胞计数检测[J]. 雷相阳,邱宪波,葛胜祥,夏宁邵,陈兴,崔大付. 化学进展. 2015(07)
[6]基于微流控技术的单细胞生物物理特性表征[J]. 唐文来,项楠,黄笛,张鑫杰,顾兴中,倪中华. 化学进展. 2014(06)
[7]一种用于CMOS图像传感器的10位高速列级ADC[J]. 姚素英,徐文静,高静,聂凯明,徐江涛. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(03)
[8]CMOS图像传感器中分段电容DAC非理想因素研究（英文）[J]. 孙权,姚素英,徐文静,聂凯明,徐江涛. 传感技术学报. 2014(01)
[9]基于CMOS图像传感器应用的斜坡发生器[J]. 张生才,龚川,姚素英,徐江涛. 哈尔滨工业大学学报. 2008(07)
博士论文
[1]光流体显微镜中CMOS图像传感器关键技术研究[D]. 吕楠.西安理工大学 2016
硕士论文
[1]MSAD方法正则化参数的选择及其有效性探究[D]. 朱程.南方医科大学 2014
本文编号：3623582
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